📚 课程目录第2章热氧化基础

2. 热氧化基础

硅的热氧化是硅与氧化剂（O₂ 或 H₂O）在高温下反应生成 SiO₂ 的过程。1965 年，Deal 和 Grove 提出了经典的硅热氧化动力学模型，该模型至今仍是理解 LOCOS 和 STI 氧化层生长的理论基础。

Deal-Grove 模型将氧化过程分为三个连续的步骤：

模型假设氧化剂在 SiO₂ 中的扩散是稳态的，且界面反应为一级反应。由此推导出氧化层厚度 \(x_o\) 与氧化时间 \(t\) 的关系：

x_o² + A·x_o = B·(t + τ)

其中：

模型适用性提示： Deal-Grove 模型在氧化层厚度大于 20 nm 时与实验数据吻合良好。对于超薄氧化层（< 10 nm），初始氧化速率异常增快，模型需要修正。

Deal-Grove 模型的两个极限情况对应两种不同的生长规律：

生长阶段	条件	厚度-时间关系	物理含义
线性阶段（反应控制）	氧化层较薄，\(x_o \ll A\)	\(x_o \approx \frac{B}{A}(t + \tau)\)	界面反应为速率限制步骤，厚度随时间线性增长
抛物阶段（扩散控制）	氧化层较厚，\(x_o \gg A\)	\(x_o^2 \approx B(t + \tau)\)	氧化剂扩散为速率限制步骤，厚度随时间的平方根增长

    关键理解： 在 LOCOS 工艺中，场氧化层通常较厚（300–600 nm），生长处于抛物阶段，扩散控制占主导。而在 STI 工艺中，衬垫氧化层较薄（10–30 nm），生长处于线性阶段，界面反应控制占主导。这一差异直接影响后续隔离结构的形貌和应力分布。

温度是影响氧化速率最显著的因素。Deal-Grove 模型中的速率常数 \(B\) 和 \(B/A\) 均遵循阿伦尼乌斯关系：

B = B₀ · exp(-Ea_B / kT)
B/A = (B/A)₀ · exp(-Ea_lin / kT)

其中：

氧化方式	温度范围	典型速率（1000°C）	激活能 Ea_lin	激活能 Ea_B
干氧氧化（O₂）	800–1200°C	~50 nm/h	2.0 eV	1.24 eV
湿氧氧化（H₂O）	800–1200°C	~300 nm/h	1.96 eV	0.71 eV

工艺注意事项： 温度每升高 100°C，氧化速率大约增加 2–3 倍。但过高的温度会导致杂质扩散加剧、热预算增加，在 STI 工艺中可能引起不必要的掺杂再分布。LOCOS 工艺常采用 950–1050°C 湿氧氧化以平衡速率与热预算。

硅衬底的掺杂浓度和类型对氧化速率有显著影响：

重掺杂增强氧化：当掺杂浓度超过 \(10^{19} \text{cm}^{-3}\) 时，氧化速率明显加快。这是因为重掺杂在 SiO₂/Si 界面产生大量空位，增强了氧化剂的扩散和界面反应。
掺杂类型差异：磷（P）和硼（B）的重掺杂都会增强氧化，但磷的增强效应更显著。砷（As）的增强效应相对较弱。
掺杂分布影响：在 LOCOS 工艺中，场注入区（如沟道停止注入）的重掺杂会导致局部氧化速率加快，形成“鸟嘴”形貌的非对称性。

掺杂类型	掺杂浓度 (cm⁻³)	氧化速率增强倍数	适用工艺
本征/轻掺杂	< 10¹⁸	1.0×（基准）	STI 衬垫氧化
重掺硼（B）	10¹⁹ – 10²⁰	1.5 – 2.0×	LOCOS 场注入区
重掺磷（P）	10¹⁹ – 10²⁰	2.0 – 3.0×	埋层/深阱区

硅单晶的不同晶面具有不同的原子密度和悬挂键密度，导致氧化速率存在各向异性：

氧化速率顺序：Si(110) > Si(111) > Si(100)。在典型氧化条件下，(110) 面的氧化速率比 (100) 面快约 20–30%。
原因分析：(100) 面原子密度最低，界面反应位点较少，线性速率常数较小。而 (110) 面原子密度最高，反应位点更多。
工艺影响：现代 CMOS 工艺主要使用 Si(100) 衬底，因其具有较低的界面态密度和较高的载流子迁移率。在 LOCOS 工艺中，晶向差异会影响鸟嘴的横向延伸长度。

在 LOCOS 和 STI 工艺中，干氧氧化和湿氧氧化各有不同的应用场景：

    工艺选择原则： 在 STI 工艺中，衬垫氧化层（pad oxide）通常采用干氧氧化以获得高质量的 Si/SiO₂ 界面，减少界面态密度。而在 LOCOS 工艺中，场氧化层需要较厚的隔离层（300–600 nm），通常采用湿氧氧化以提高生产效率。